什么是嵌入式運(yùn)動(dòng)控制？

 

“嵌入式運(yùn)動(dòng)控制”這個(gè)術(shù)語指的是在一個(gè)設(shè)備中包含精確電機(jī)控制、高性能計(jì)算的高度集成設(shè)備，而且通常還包含通信功能。它是嵌入式計(jì)算發(fā)展的下一個(gè)階段，嵌入式計(jì)算始于二十世紀(jì)七十年代，當(dāng)時(shí)，低成本單芯片微控制器的問世使得智能可以嵌入到一切事物中，包括微波爐、兒童玩具、收銀機(jī)和醫(yī)療器械?，F(xiàn)代汽車享有的大部分效率增益都是由嵌入式計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。

 

大約二十年后，互聯(lián)網(wǎng)、無線數(shù)據(jù)和更高水平的硅集成的興起將嵌入式連接引入日常物品中，如體重秤、健康監(jiān)視器和家庭娛樂設(shè)備。嵌入式連接還應(yīng)用到了部分機(jī)動(dòng)消費(fèi)產(chǎn)品中，例如Roomba 清潔機(jī)器人。不幸的是，彼此分離的微控制器 (MCU)、電機(jī)控制器和模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件的成本高昂，且開發(fā)電機(jī)控制軟件十分復(fù)雜，這意味著聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)只能主要用于制造自動(dòng)化和其他工業(yè)應(yīng)用。

 

由于集成程度的不斷加深，運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)組件的成本和數(shù)量降低至只需要通用微程序控制器和少量模擬組件即可實(shí)現(xiàn)完整解決方案的程度（圖 1）。

 

【圖 1：帶外部微程序控制器的集成電機(jī)控制解決方案。在軟件中進(jìn)一步集成運(yùn)動(dòng)控制要求不僅可以實(shí)現(xiàn)更小的電子器件，還能將需要大量實(shí)時(shí)運(yùn)算的工作從MCU解放出來。】

 

最近，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)問世，它將這些功能與強(qiáng)大的微程序控制器集成（圖 2）。在大部分情況下，片上處理器有足夠的計(jì)算能力支持精確控制一個(gè)或多個(gè)電機(jī)所需的復(fù)雜算法。在許多情況下，這些設(shè)備還包括以太網(wǎng)、控制器局域網(wǎng)路(CAN) 總線或其他用于物聯(lián)網(wǎng)通信的接口。對(duì)于功率較低的應(yīng)用，甚至可以在單個(gè)封裝中包含驅(qū)動(dòng)中等規(guī)模步進(jìn)器、無刷 PMM (BLDC/BLAC) 或其他類型電機(jī)所需的最終輸出級(jí)。還可以對(duì)微程序控制器進(jìn)行編程，以驅(qū)動(dòng)其他類型的運(yùn)動(dòng)發(fā)生設(shè)備，如直線驅(qū)動(dòng)器和音圈。

 

【圖 2：嵌入式運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備在一個(gè)封裝內(nèi)集成了高性能嵌入式處理、功能和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路一單個(gè)器件內(nèi)。許多嵌入式控制器還包含能用于實(shí)施分布式控制系統(tǒng)和支持物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的通信功能。】

 

為了加速開發(fā)，這些控制器通常有開源庫支持，開源庫為設(shè)計(jì)人員提供了可以通過標(biāo)準(zhǔn)API 調(diào)用的豐富功能集。這些庫通常包含幾個(gè)常用電機(jī)控制模式（轉(zhuǎn)矩、速率和位置）的算法，還包括扭矩控制，即磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 以及運(yùn)動(dòng)模式（位置、速率和扭矩）的算法。

 

應(yīng)用

 

1 醫(yī)療產(chǎn)品

 

醫(yī)療器械是嵌入式運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)正在改變產(chǎn)品功能和安全性預(yù)期的首要市場(chǎng)之一。例如，輸液泵必須為患者提供精確測(cè)量的穩(wěn)定藥液流。帶物聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式控制器支持在患者床邊或通過集中管理的應(yīng)用程序?qū)@些泵進(jìn)行編程和監(jiān)控。同樣，可穿戴胰島素泵和其他個(gè)人給藥設(shè)備中使用的支持物聯(lián)網(wǎng)的控制器能夠在支持自主運(yùn)行的同時(shí)將患者的健康指標(biāo)實(shí)時(shí)提供給云端的分析應(yīng)用程序。

 

【圖 3：嵌入式運(yùn)用控制技術(shù)將為個(gè)人醫(yī)療設(shè)備帶來更高的準(zhǔn)確性、便利性和安全性。】

 

2 工業(yè)產(chǎn)品

 

工業(yè)自動(dòng)化在嵌入式運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的早期就已獲益。低成本、緊湊的電機(jī)控制器可以安裝在附近，甚至內(nèi)置在電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器。每個(gè)模塊的嵌入式控制器在本地執(zhí)行大多數(shù)基本的運(yùn)動(dòng)控制功能，創(chuàng)建一個(gè)分布式控制體系結(jié)構(gòu)，使智能接近于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的位置。這一特點(diǎn)和控制器監(jiān)控和記錄電機(jī)生命跡象的能力能夠讓嵌入式電機(jī)控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力更強(qiáng)，同時(shí)以更低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)更高的速度和準(zhǔn)確性。

 

嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器還能實(shí)時(shí)監(jiān)視和記錄電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的機(jī)械的運(yùn)行狀況，提高它們應(yīng)對(duì)故障或警報(bào)條件的速度，在部分情況下，還能預(yù)測(cè)問題，以免造成產(chǎn)品缺陷或成本高昂的宕機(jī)。簡(jiǎn)單地說，這包括持續(xù)跟蹤每個(gè)組件移動(dòng)的次數(shù)并將其與計(jì)劃對(duì)照，以確定是否進(jìn)行調(diào)整、更換零件和其他例行維護(hù)。此技術(shù)可以與從電機(jī)中收集的信息相結(jié)合，查找機(jī)器某些部位過度摩擦的早期跡象，這些過度摩擦可能很快就會(huì)引起更加嚴(yán)重、代價(jià)更高的問題。

 

在這些應(yīng)用中，控制器的嵌入式通信功能支持通過本地應(yīng)用程序服務(wù)器跨局域網(wǎng)或通過云端應(yīng)用程序跨工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)輕松監(jiān)視和控制機(jī)器。

 

3 消費(fèi)產(chǎn)品

 

高度的硅集成及其帶來的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制組件的成本降低正在促使這一技術(shù)走入越來越多的消費(fèi)品市場(chǎng)新應(yīng)用中。

 

部分示例如下：

 

●     高性能的智能電動(dòng)自行車和電動(dòng)踏板車，它們更加經(jīng)濟(jì)且能使用控制器將輸出驅(qū)動(dòng)波與電機(jī)和所承受負(fù)載細(xì)致匹配從而更好地利用電池。

●     物聯(lián)網(wǎng)連接的智能家居，其特點(diǎn)是可以有效地遠(yuǎn)程控制活動(dòng)通風(fēng)孔、百葉窗、監(jiān)控?cái)z像機(jī)和電器。

●     配備了智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的3D 打印機(jī)，驅(qū)動(dòng)器使用復(fù)雜的波形算法提供更快的速度和更高的打印準(zhǔn)確性，同時(shí)動(dòng)態(tài)降低產(chǎn)生的噪音。

●     個(gè)人機(jī)器人，其硬件外圍設(shè)備中嵌入了時(shí)序要求嚴(yán)格的功能，使得處理器可以供 AI 和用戶界面使用。

 

 

結(jié)論

 

嵌入式運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)正在使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的過程變得比以往更加簡(jiǎn)單、更加具有成本效益。在此過程中，它能幫助現(xiàn)有產(chǎn)品變得更好，讓新類別的產(chǎn)品成為可能。

 

來源：TRINAMIC電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，作者：Corné Bekkers

 

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